鸿蒙内核源码分析(内存规则篇) | 内存管理到底在管什么? | 百篇博客分析HarmonyOS源码 | v16.03

原创
2020/11/01 23:03
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主子和奴才

看本篇之前建议先看 鸿蒙内核源码分析(调度故事篇) | 通俗易懂故事说内核. 请想一个问题,内核本身也是程序要在内存运行, 用户程序一样也要在内存运行,大家都在一个窝里吃饭, 你凭什么就管我了.好像内核程序是主子,用户程序是奴才似的.

哎! 其实用户进程就是内核的一个个奴才, 被捏的死死的.  按不住奴才那这主子就不合格,就不是一个稳定系统. 请想想实际内存就这么点大, 如何满足众多用户进程的需求? 内核空间和用户空间如何隔离? 如何防止访问乱串? 如何分配/释放,防止碎片化? 空间不够了又如何置换到硬盘?   想想头都大了。内核这当家的主子真是不容易,这些都是他要解决的问题, 但欲戴其冠,必承其重.

先说如果没有内存管理会怎样?

       那就是个奴才们能把主子给活活踩死, 想想主奴不分,吃喝拉撒睡都在一起,称兄道弟的想干啥? 没规矩不成方圆嘛,这事业肯定搞不大,单片机时代就是这种情况. 裸机编程,指针可以随便乱飞,数据可以随意覆盖,没有划定边界,没有明确职责,没有特权指令,没有地址保护,你还想像java开发一样,只管new内存,不去释放,应用可以随便崩但系统跑的妥妥的?想的美! 直接系统死机,甚至开机都开不了,主板直接报废了. 所以不能运行很复杂的程序,尽量可控,而且更是不可能支持应用的动态加载运行. 队伍大了就不好带了,方法得换, 游击队的做法不适合规模作战,内存就需要管理了,而且是 5A级的严格管理。

内存管理在管什么?

简单说就是给主子赋能,拥有超级权利,为什么就他有? 因为他先来,掌握了先机.它定好了游戏规则,你们来玩.有哪些游戏规则?

  • 第一: 主奴有别,主子即是裁判又是运动员,主子有主子地方,奴才们有奴才们待的地方,主子可以在你的空间走来走去,但你只能在主人划定的区域活动.奴才把自己玩崩了也只是奴才狗屁了, 但主人和其他人还会是好好的. 主子有所有特权,比如某个奴才太嚣张了,就直接拖到午门问斩。

  • 第二: 奴奴有分,奴才们基本都是平等的,虽有高级和低级奴才区分,但本质都是奴才。奴才之间是不能随意勾连,登门问客的,防止一块搞政变. 他们都有属于自己的活动空间,而且活动空间还巨大巨大,大到奴才们觉得整个紫荆城都是他们家的,给你这么大空间你干活才有动力,奴才们是铆足了劲一个个尽情的表演各种剧本,有玩电子商务的,有玩游戏的,有搞直播的等等。。。不愧是紫荆城的主人很有一套,明明只有一个紫禁城,硬被他整出了N个紫荆城的感觉。而且这套驾奴本领还取了个很好听的名字叫:虚拟内存

看图:

这是整个紫荆城的全貌图,里面的内核虚拟空间是主人专用的,里面放的是主人的资料,数据,奴才永远进不去,kernel heap 也是给主人专用的动态内存空间,管理奴才和日常运作开销很多时候需要动态申请内存,这个是专门用来提供给主人使用的。而所有奴才的空间都在叫用户空间的那一块。你没看错,是所有奴才的都在那。当然实际情况是用户空间比图中的大的多,因为主人其实用不了多少空间,大部分是留给奴才们干活用了,因为篇幅的限制笔者把用户空间压缩了下。 再来看看奴才空间是啥样的。看图

这张图是第一张图的局部用户空间放大图。里面放的是奴才的私人用品,数据,task运行栈区,动态分配内存的堆区,堆区自下而上,栈区自上而下中间由映射区(L1,L2表)隔开。这么多奴才在里面不挤吗?答案是:真不挤 。主人手眼通天,因为用了一个好帮手解决了这个问题,这个帮手名叫 MMU(李大总管)

MMU是干什么事的?

看下某度对MMU定义:它是一种负责处理中央处理器(CPU)的内存访问请求的计算机硬件。它的功能包括虚拟地址物理地址的转换(即虚拟内存管理)、内存保护、中央处理器高速缓存的控制。通过它的一番操作,把物理空间成倍成倍的放大,他们之间的映射关系存放在页面中。

好像看懂又好像没看懂是吧,到底是干啥的?其实就是个地址映射登记中心。记住这两个字:映射 看下图

物理内存可以理解为真实世界的紫禁城,虚拟内存就是被MMU虚拟出来的比物理页面大的多的空间。举例说明大概说明下过程:

有A(厨师),B(文艺青年) 两个奴才来到紫禁城,每个人都很有抱负,主子规定要先跑去登记处登记活动范围,领回来一张表 叫 L1页表,上面说了大半个紫禁城你可以跑动,都是你的,L1页表记录你每个房间的编号。其实奴才们的表都一样,能跑的范围也都一样。 李大总管也有一张私人表叫TLB表,具体玩的呢,看个例子就明白了.

举例说明

TLB表(李总管的私人表)

真实房间 当前谁在用
7 A
8 C
9 B

李大总管的私人表叫 TLB(translation lookaside buffer)可翻译为“地址转换后援缓冲器”,也可简称为“快表”。从TLB表可以看出,有三个真实的房间, 7,8,9,目前是分配给了A,B,C使用.

奴才们的L1页表(当然可以有无数的奴才表,每个奴才人手一张)

虚拟房间 真实房间 作用
A奴才 1 7 厨房拿菜
A奴才 2 8 洗手间
A奴才 3 9 卧室
虚拟房间 真实房间 作用
B奴才 3 8 音乐室
B奴才 1 9 美术室
B奴才 2 7 武术室

再模拟一个他们的活动场景:

奴才 动作1 动作2 动作3 动作4
A 厨房拿菜 卧室睡觉 上洗手间
B 武术室 美术室 音乐室

第一: A要去1号间厨房拿菜,提交表给李总管,李总管拿表和自己的表对照,发现1号虚拟房间对应的是7号真实房间,7号刚好分配给了A用,盖章同意.A拿到了自己菜.

真实房间 当前谁在用
7 A
8 C
9 B

此时李总管的表没变化. 第二: B要去2号间练武术,提交表给李总管,李总管拿表和自己的表对照,发现1号虚拟房间对应的是7号真实房间,7号是A在用,不属于B,里面放的都还是菜呢,咋办?简单,把菜挪出去,把B奴才的武术设备装进来,更改自己的表变成了

真实房间 当前谁在用
7 B
8 C
9 B

此时李总管的表变了,三个真实房间B用了两个了. 第三: A要去3号间睡觉了,又提交表给李总管,李总管拿表和自己的表对照,发现3号虚拟房间对应的是9号真实房间,9号刚好分配给了B用了,此时里面放的还是美术用品呢.咋办?简单,挪出去,把A奴才的睡觉设备装进来,再更改自己的表变成了

真实房间 当前谁在用
7 B
8 C
9 A

此时李总管的表变了,9号给了A了,而8号一直在C手里,因为过程中没人用到了8号房.但继续跑下去肯定会易主.

明白了吗? 这就是 映射的核心思想! 对A,B来说,它们只认 1,2,3房间,记得自己的房间是干什么用的就行,完全不必知道背后的7,8,9是谁在用, 用房间之前提交表单就行了,后面的不用管. 而且各自1,2,3可以重新映射到不一样的房间, A,B映射是完全独立的,看清没有它们的123对应的可不都是789的顺序.

上面的1,2,3就叫虚拟地址,也叫线性地址. 而789就是物理地址. 如此只有三个房间都可以给很多很多的奴才使用,让他们觉得这三个房间都是自己的. 完美!!! 当然AB也可以有自己虚拟地址789,例如:

虚拟房间 真实房间 作用
A奴才 1 7 厨房拿菜
A奴才 2 8 洗手间
A奴才 3 9 卧室
A奴才 7 19 洗澡
A奴才 8 88 去皇上寝宫偷看
A奴才 9 45 御膳房

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